Kvantinės fizikos titanai laimėjo proveržio prizą


Kai įpilama milijardai dolerių kvantinis skaičiavimas ir šalys kuria ryšių tinklai, apsaugoti kvantiniu šifravimu, kvantinės informacijos mokslo žinomumas tapo vis sunkiau ignoruoti.

Šių metų proveržio prizas fundamentaliosios fizikos srityje pagerbia keturis pradininkus, kurie sujungė matematiką, kompiuterių mokslą ir fiziką, kad atliktų „pagrindinį darbą kvantinės informacijos srityje“. Prizą dalijasi Charlesas Bennettas iš IBM, Gillesas Brassardas iš Monrealio universiteto, Davidas Deutschas iš Oksfordo universiteto ir Peteris Šoras iš Masačusetso technologijos instituto.

„Šie keturi žmonės tikrai labai prisidėjo prie kvantinės informacijos teorijos atsiradimo“, – sako Ženevos universiteto eksperimentinis kvantinis fizikas Nicolas Gisinas. „Smagu matyti, kad šie prizai man arčiau širdies.

„Proveržio prizus“ 2012 m. įkūrė Izraelio ir Rusijos milijardierius ir fizikas Jurijus Milneris, o juos gausiai rėmė kiti magnatai, įskaitant įkūrėjus Marką Zuckerbergą ir Sergejų Briną. Panašiai kaip Alfredas Nobelis, kurio turtas Nobelio premijai gauti kilo dėl jo išradimo dinamito, Milnerio praeities finansiniai ryšiai su Kremliumi buvo išnagrinėti, ypač atsižvelgiant į tebevykstančią Rusijos invaziją į Ukrainą. Ankstesniuose interviu Milneris pabrėžė savo nepriklausomybę ir aukas Ukrainos pabėgėliams. Atstovas spaudai nurodė Mokslinis amerikietis kad Milneris 2014 m. persikėlė į JAV ir nuo to laiko į Rusiją negrįžo.

Tačiau kvantinės informacijos mokslo pripažinimas ne visada buvo lengvas arba su tokia finansine parama. Plačiąja prasme ši sritis yra dviejų teorijų derinys: kvantinės mechanikos, apibūdinančios priešingą atominio ir subatominio pasaulio elgesį, ir informacijos teorijos, kuri detalizuoja matematines ir fizines skaičiavimo ir komunikacijos ribas. Jos istorija yra niūresnė istorija su atsitiktiniais pasiekimais, į kuriuos tradiciniai mokslo žurnalai dažnai nepastebėjo.

1968 m. Stephenas Wiesneris, tuometinis Kolumbijos universiteto magistrantas, sukūrė naują informacijos kodavimo būdą poliarizuotais fotonais. Be kita ko, Wiesner pasiūlė, kad iš prigimties trapi kvantinių būsenų prigimtis galėtų būti panaudota kuriant atsparų padirbinėjimui. kvantiniai pinigai. Negalėdamas paskelbti daugelio savo svaiginančių teorinių idėjų ir patrauktas religijos, Wiesneris, kuris mirė pernai, iš esmės pasitraukė iš akademinės bendruomenės, kad taptų statybininku Izraelyje.

Prieš išvykdamas iš Kolumbijos, Wiesneris kai kurias savo idėjas perdavė kitam jaunam tyrinėtojui. „Vienas iš mano kambario draugų vaikinų buvo Stephenas Wiesneris, kuris pradėjo man pasakoti apie savo „kvantinius pinigus“, – prisimena Bennettas. “[It] Man pasirodė įdomu, bet tai neatrodė kaip visiškai naujos srities pradžia. Aštuntojo dešimtmečio pabaigoje Bennettas susitiko su Brassardu ir jiedu pradėjo diskutuoti apie Wiesnerio pinigus, kuriems, jų manymu, gali prireikti neįtikėtinos užduoties sugauti fotonus veidrodžiais, kad būtų sukurtas kvantinis banknotas.

„Fotonai nėra skirti likti – jie skirti keliauti“, – sako Brassardas, paaiškindamas mąstymo procesą. „Jei jie keliauja, kas yra natūraliau už bendravimą? Protokolas Bennett ir Brassard pasiūlėpaskambino BB84, pradėtų kvantinės kriptografijos sritis. Vėliau išsamiai ir išpopuliarėjo m Mokslinis amerikietis, BB84 leido dviem šalims keistis žinutėmis itin slaptai. Jei trečioji šalis šnipinėtų, ji paliktų neištrinamus savo trukdymo įrodymus, pavyzdžiui, sugadintų kvantinį vaško antspaudą.

Kol Bennettas ir Brassard kūrė kvantinę kriptografiją, ėmė ryškėti kita radikali idėja – kvantinė kompiuterija. 1981 m. gegužę fizikas Richardas Feynmanas 1981 m. pasiūlė kad kvantinius principus naudojantis kompiuteris galėtų išspręsti klasikinės fizikos dėsnių saistomam kompiuteriui neįmanomas problemas. Nors jis nedalyvavo konferencijoje, Deutsch išgirdo apie šią idėją ir užkabino. „Pamažu vis labiau įsitikinau skaičiavimo ir fizikos sąsajomis“, – sako jis.

Vėliau tais pačiais metais bendraudamas su Bennett, Deutsch išgyveno lemiamą epizodą: tuomet vyraujanti skaičiavimo teorija buvo pagrįsta klaidinga fizika – „klasikine“ Isaac’o Newtono mechanika ir Alberto Einšteino reliatyvistiniu požiūriu, o ne gilesne kvantine tikrove. „Taigi maniau, kad perrašysiu skaičiavimo teoriją, pagrįsdamas ją kvantine teorija, o ne klasikine teorija“, – faktiškai sako Deutsch. „Nesitikėjau, kad iš to išeis kažkas iš esmės naujo. Tikėjausi, kad tai bus griežtesnė. Tačiau netrukus jis suprato, kad yra apibūdina visiškai kitokio tipo kompiuteris. Net jei jis pasiekė tuos pačius rezultatus, jis pasiekė kvantinės mechanikos principus.

Naujoji Deutsch teorija suteikė esminį ryšį tarp kvantinės mechanikos ir informacijos teorijos. „Dėl to kvantinė mechanika man tapo prieinama mano kompiuterių mokslo kalba“, – sako Kalifornijos universiteto Berklio informatikas Umeshas Vazirani. Vėliau su australų matematiku Richardu Josza Deutsch pasiūlyta kaip principo įrodymaspirmasis algoritmas, kuris būtų eksponentiškai greitesnis už klasikinius algoritmus, nors jis nedavė nieko praktiško.

Tačiau netrukus atsirado daugiau naudingų programų. 1991 m. Arturas Ekertas, tuometinis Oksfordo magistrantūros studentas, pasiūlė naujas kvantinės kriptografijos protokolas E91. Ši technika patraukė daugelio fizikų dėmesį dėl savo elegancijos ir praktiškumo, taip pat dėl ​​to, kad ji buvo paskelbta pirmaujančiame fizikos žurnale. „Tai graži idėja. Šiek tiek stebina, kad Ekert nepatenka į šių metų fundamentinio fizikos proveržio prizo laureatų sąrašą, sako Gisinas.

Po dvejų metų, kai Bennettas, Brassardas, Josza, kompiuterių mokslo tyrinėtojas Claude’as Crépeau ir fizikai Asher Peres ir William Wootters pasiūlė kvantinė teleportacija, atkreipė dėmesį fizikai. The nauja technika suteiktų vienai šaliai galimybę perduoti informaciją, pvz., monetos apvertimo rezultatą, kitai per įsipainiojimas, kvantinė koreliacija, galinti susieti tokius objektus kaip elektronai. Nepaisant populiarių mokslinės fantastikos teiginių, ši technika neleidžia greitesni už šviesą pranešimai– tačiau tai smarkiai išplėtė realaus pasaulio kvantinių ryšių galimybes. „Tai labiausiai protu nesuvokiama idėja“, – sako Chao-Yang Lu, Kinijos mokslo ir technologijų universiteto kvantinis fizikas, padėjęs įgyvendinti šią techniką iš kosmoso.

Tokie žodžiai kaip „revoliucija“ yra pernelyg vartojami apibūdinti mokslo pažangą, kuri paprastai yra lėkšta ir didėjanti. Tačiau 1994 m. Shor tyliai pradėjo vieną. Dirbdamas AT&T Bell Laboratories jis įsisavino Vazirani ir Bennett pokalbius. „Pradėjau galvoti, ką naudingo galėtum nuveikti su kvantiniu kompiuteriu“, – sako jis. „Maniau, kad tai buvo toli. Bet tai buvo labai įdomi sritis. Taigi aš pradėjau tai dirbti. Tikrai niekam nesakiau“.

Įkvėptas sėkmės, kurią kiti kvantiniai algoritmai turėjo su periodinėmis arba pasikartojančiomis užduotimis, Shor sukūrė algoritmą, galintį padalyti skaičius į pirminius koeficientus (pavyzdžiui, 21 = 7 x 3) eksponentiškai greičiau nei bet kuris klasikinis algoritmas. Pasekmės buvo akivaizdžios iš karto: pagrindinis faktorizavimas buvo šiuolaikinio šifravimo pagrindas. Pagaliau kvantiniai kompiuteriai turėjo tikrai žaidimą keičiantį praktinį pritaikymą. Šoro algoritmas „Tiesiog aiškiai pasakė, kad turite viską mesti“, kad galėtumėte dirbti su kvantiniu skaičiavimu, sako Vazirani.

Nors Šoras rado galingą kvantinio kompiuterio naudojimo atvejį, jis neišsprendė sunkesnės problemos, kaip jį sukurti – net teoriškai. Trapios kvantinės būsenos, kurias tokie įrenginiai galėjo išnaudoti, kad pranoktų klasikinį skaičiavimą, taip pat padarė juos itin pažeidžiamus klaidų. Be to, klasikinių kompiuterių klaidų taisymo strategijos negalėjo būti naudojamos kvantiniuose kompiuteriuose. Neapsikentęs kvantinių skaičiavimų konferencijoje Turine, Italijoje, 1995 m. Šoras stato kitus tyrinėtojus kad kvantinis kompiuteris suskaičiuotų 500 skaitmenų skaičių anksčiau nei klasikinis kompiuteris. (Net ir naudojant šiuolaikinius klasikinius superkompiuterius 500 skaitmenų skaičiavimas greičiausiai užtruktų milijardus metų.) Niekas nesiėmė Shor statymo, o kai kurie prašė trečio varianto: kad saulė išdegtų pirma.

Kvantinius kompiuterius kamuoja dviejų tipų klaidos: bitų klaidos ir fazių klaidos. Šios klaidos panašios į kompaso rodyklės apvertimą iš šiaurės į pietus arba iš rytų į vakarus. Deja, ištaisius bitų klaidas, fazių klaidos pablogėja ir atvirkščiai. Kitaip tariant, nustačius tikslesnį šiaurės kreipiamąjį, gaunamas ne toks tikslus rytų arba vakarų kreipiamasis. Tačiau vėliau, 1995 m., Šoras išsiaiškinti kaip derinti bitų korekciją ir fazių korekciją – operacijų grandinė, panaši į Rubiko kubo sprendimą nepakeičiant užbaigtos pusės. Šoro algoritmas išlieka neveiksmingas, kol kvantiniai kompiuteriai tampa galingesni (didžiausias algoritmo koeficientas yra 21, todėl klasikinis faktoringas išlieka pirmaujantis – kol kas). Tačiau kvantinis skaičiavimas vis tiek tapo įmanomas, jei ne praktiškas. „Tuomet visa tai tapo tikra“, – sako Brassard.

Visas šis darbas paskatino nauji kvantinės mechanikos ir skaičiavimo vaizdai. Deutschui tai įkvėpė dar fundamentalesnę „konstruktorių“ teoriją, kuri, pasak jo, apibūdina „visų fizinių transformacijų rinkinį“. Kiti tebėra agnostikai dėl tikimybės, kad iš kvantinės sferos atsiras tolesnių gilių įžvalgų. „Kvantinė mechanika yra tikrai keista, ir nemanau, kad kada nors bus koks nors paprastas būdas ją suprasti“, – sako Šoras. Paklaustas, ar jo darbas su kvantine kompiuterija palengvina ar sunkiau suvokia tikrovės prigimtį, jis nedrąsiai atsako: „Tai tikrai daro ją paslaptingesnę“.

Tai, kas prasidėjo kaip pramoga ar eklektiškas intelektualus užsiėmimas, dabar gerokai pranoko daugelį laukinių šios srities pionierių įsivaizdavimo. „Niekada nemanėme, kad tai kada nors taps praktiška. Buvo tiesiog labai smagu galvoti apie šias beprotiškas idėjas“, – sako Brassard. „Kažkuriuo metu nusprendėme, kad kalbame rimtai, bet žmonės mūsų nesekė. Buvo apmaudu. Dabar, kai tai pripažįstama tokiu mastu, labai džiugu.